第八章生物氧化.ppt

第八章生物氧化,在代谢过程中，第三阶段和第四阶段是所有有机物分解的共同途径，因此通常将第三和第四阶段合并为一章，称为生物氧化,生物氧化包括三羧酸循环和氢的传递两个部分，生物氧化的产物为CO2、H2O和能量.其中三羧酸循环阶段产生氢和CO2,氢的传递阶段生成H2O和能量.,生物氧化主要讨论有机物在生物体内的分解.生物体内的分解代谢过程如图:,第一节生物氧化概述,第二节CO2的生成,第三节呼吸链和水的生成,第四节能量的生成和利用,第五节三羧酸循环,脂类,蛋白质,多糖,脂肪酸,单糖,氨基酸,乙酰CoA,能量,CO2,H2O,2H,第一阶段,第三阶段,第二阶段,第四阶段,TCA,三羧酸循环,氢的传递,第一节生物氧化概述,一.生物氧化的涵义,二.生物氧化的特点,由前述分解代谢的总方程式：,则有机物的分解是一种有氧参与的氧化反应，且反应发生在生物体内，故称为生物氧化,定义,有机物质在生物体细胞内的氧化分解作用称为生物氧化,由于此过程消耗氧生成CO2，且在细胞中进行，因此又称为细胞呼吸,一.生物氧化的涵义,二.生物氧化的特点,生物氧化和体外的氧化（如燃烧）在本质上是相同的，但在表现形式、反应条件、产物的生成方式上有很大不同,生物氧化过程见图,（一）反应条件温和,生物氧化是在近乎中性及体温条件下的细胞内水溶液中进行的，条件温和,体外氧化是在干燥高温条件下进行，伴有光和热产生,（二）反应历程复杂,而生物氧化是在活细胞的水溶液中进行的，途径迂回曲折，有条不紊，反应历程复杂，都是酶促反应,葡萄糖的氧化反应方程式：,在体内和体外都是一样的，但各自的反应历程不同,体外氧化是一次反应完全的,例,（三）代谢物以脱氢的方式氧化,物质氧化的方式有两种：直接氧化和脱氢氧化,1.直接氧化：指物质直接与氧反应，生成氧化物,2.脱氢氧化:指物质脱去两个氢原子被氧化,CH3CH2OH,CH3HCO+2H,铁的氧化和甲烷的燃烧,乙醇氧化为乙醛,生物氧化中的代谢物通常以脱氢方式氧化,例,例,要点,（四）CO2由代谢物脱羧生成,CO2是由代谢物中含羧基的中间物脱羧生成的，与氧的参与无关,氨基酸脱羧反应,例,氨基酸,胺,（五）H2O是由代谢物脱下的氢经传递给氧生成的,代谢物脱下的氢须经一系列传递体传递，这些传递体系称为呼吸链。最后氢传给氧生成水,（六）能量在传递过程中逐步释放并储存,体外氧化的能量通常以光和热的形式骤然释放，而生物氧化的能量是逐步释放的，这有利于机体截留能量并加以ATP形式储存,代谢物,呼吸链,脱氢氧化,此过程即物质分解代谢的第三和第四阶段因此第四阶段即呼吸链,此阶段需要O2的参与,产物为H2O和能量,第二节二氧化碳的生成,一.直接脱羧基作用,二.氧化脱羧基作用,是由生物体中的代谢物经脱羧基作用产生的，脱羧作用有以下两种：,二.氧化脱羧基作用,指有机酸在脱羧过程中也发生氧化作用（即脱氢作用）。,氧化脱羧作用需要多种酶和辅因子参与递氢,氧化脱羧作用也分为两种方式：氧化脱羧和氧化脱羧,第三节呼吸链和水的生成,二.呼吸链的组成,一.呼吸链的概念,三.呼吸链的类型及组分排列顺序,由由线粒体内的供氢体，传递体，受氢体以及相应的酶系统组成的代谢途径称为呼吸链，其中受氢体为氧,呼吸链的反应场所是细胞内的线粒体,呼吸链的功能就是将氢通过多种酶和辅酶组成的传递体系的传递，最后交给受氢体氧生成水,定义,代谢物脱下的氢不能在体内游离存在，必须有某种受氢体,要点,一.呼吸链的概念,二.呼吸链的组成,呼吸链包括供氢体，受氢体和传递体,其中供氢体是代谢物，受氢体是氧，因此主要讨论传递体,呼吸链的传递体有两种：递氢体和递电子体递氢体包括NAD+(NADP+)、FMN(FAD)和CoQ递电子体包括铁硫蛋白(Fe-S)、细胞色素体系,要点,1.NAD+或NADP+,这类脱氢酶以NAD+或NADP+为辅酶，首先激活代谢物特定位置的氢，并使之脱落，脱下的氢由NAD+或NADP+接受,方程式见维生素一章，如下：,因此NAD+或NADP+每次传递2molH（即1molH2）,2.FMN或FAD,这类以黄素核苷酸（FMN或FAD）为辅基的脱氢酶称为黄素酶。它们催化代谢物脱氢，并由FMN或FAD接受,方程式见维生素一章，如下：,因此FAD每次传递2molH（即1molH2）,3.辅酶Q（CoQ）,辅酶Q是一种脂溶性醌类物质，因广泛存在于生物体内又称为泛醌。辅酶Q可以结合两个氢而被还原,方程式如下：,CoQ每次传递2molH（即1molH2）,1.铁硫蛋白（FeS）,铁硫蛋白是存在于线粒体内膜上的一种与传递电子有关的蛋白质。通常与其他递氢体或递电子体结合成复合物而存在,铁硫蛋白是单电子传递体，反应如下：,2.细胞色素(Cyt),细胞色素是属于色蛋白类的结合蛋白，其辅基是含铁卟啉的衍生物(血红素A,血红素B,血红素C),细胞色素共有五种，分别为Cyta,Cytb,Cytc1,Cytc，Cyta3.,细胞色素在呼吸链中是通过铁卟啉中的铁原子氧化还原作用而往复传递电子，细胞色素是单电子传递体方程式如下：,在各种细胞色素中，只有Cytaa3可以直接以氧分子为电子受体，因此又称为细胞色素氧化酶，电子最终由Cytaa3传给氧使氧变为O2-,方程式如下：,2.细胞色素(Cyt),其中Cyta和Cyta3由于不可分开而形成Cytaa3复合体，复合体除含铁卟啉外，还含有铜原子通过铜原子的化合价变化传递电子,三.呼吸链的类型及组分排列顺序,要点,各种进入不同呼吸链的重要代谢物,两条呼吸链在CoQ处汇合，传递过程如下:,两条主要的呼吸链,FAD呼吸链,NADH呼吸链,这是细胞内最主要的呼吸链，因为体内绝大多数脱氢酶都以NAD+为辅酶。酶催化代谢物脱下的氢使NAD+变为NADH，然后通过NADH呼吸链传递给氧生成水,（一）NADH氧化呼吸链,整个NADH呼吸链的成员排列顺序及电子传递方向如下图：,代谢物,Cytb,2H,（二）琥珀酸(FAD)氧化呼吸链,体内还有些代谢物（如琥珀酸脱氢）脱氢后，脱氢酶的辅酶是FAD，则产生的FADH2进入FAD呼吸链,整个FAD呼吸链的成员排列顺序及电子传递方向如下图：,第四节能量的生成和利用,一.能量的储存形式,二.氧化还原电位,三.ATP的生成,四.氧化磷酸化的生成机制,五.氧化磷酸化的抑制作用,六.线粒体外的氧化磷酸化,生物氧化是最重要的将是代谢物中的化学能转变为生物能，并加以储存和利用，通常是将能量储存在一些高能化合物中,一.能量的储存形式,高能化合物,分子结构中含有高能键的化合物称为高能化合物,含自由能很高的化学键称为高能键，用“”表示,“高能”不是指键能高，而是指自由能高，高能键水解或基团转移时，释放或转移的自由能很多,定义,细胞中重要的高能键有两种：,高能硫脂键：,高能磷酸键：,常见的高能键和高能化合物见下表,含有高能硫酯键的化合物称为高能硫脂化合物,含有高能磷酸键的化合物称为高能磷酸化合物,高能化合物,ATP是生物氧化中能量的储存和表现形式,要点,生物氧化中释放的能量通过合成ATP贮存，在机体需能时又由ATP水解供给能量,ATP水解时，释放能量为30.5kJ/mol,同样由ADP和Pi合成ATP需能量为30.5kJ/mol,方程式如下：,要点,高能化合物,O,表8-1高能键及重要的高能化合物,三.ATP的生成,生物氧化产生的能量来自于电子传递中氧还电位变化产生的电势能（自由能），此能量以ATP的形式储存,ATP的生成有以下三种方式无氧参与：非氧化磷酸化、底物磷酸化有氧参与：氧化磷酸化,1.非氧化磷酸化,由代谢物脱水生成高能磷酸键，反应既不脱氢也无氧参与,例,3磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,（含高能磷酸键）,2.底物磷酸化,由于代谢物脱氢（氧化）后分子内部所含能量重新分布，形成高能磷酸键，此高能键可交给ADP生成ATP。这种方式称为底物磷酸化,3磷酸甘油醛,1，3二磷酸甘油酸,1，3二磷酸甘油酸,3二磷酸甘油酸,例,（含高能磷酸键）,3.氧化磷酸化,由代谢物脱下的氢（电子和质子）经呼吸链传递给氧时，由于电子传递的电位变化而产生大量自由能，此能量可用于合成ATP。这种生成方式称为氧化磷酸化，也叫呼吸链磷酸化,由于由ADP合成ATP需能量30.5kJ，因此呼吸链中由电位变化产生的自由能必须大于30.5kJ才能产生1ATP。,在呼吸链中，有三个部位产生的能量能够合成ATP。分别为：,因为这三个部位的其自由能变化都在30.5kJ以上，足以形成ATP,3.氧化磷酸化,呼吸链产能部位如下图：,1molH2（或电子）经NADH呼吸链传递产生3molATP，经琥珀酸呼吸链则产生2molATP,要点,3.氧化磷酸化,五.氧化磷酸化的抑制作用,氧化磷酸化产生ATP的过程是氧化（电子传递）作用和磷酸化作用偶联的结果,这是需氧生物进行新陈代谢维持正常生命活动最关键的反应,破坏二者的偶联作用,会抑制氧化磷酸化产生ATP,常见的因素有以下两种:解偶联作用和电子传递抑制作用,某些物质可抑制呼吸链中递氢或电子传递的不同环节，从而使氧化作用受阻，ATP生成减少，这种作用称为电子传递抑制作用,这种抑制剂只抑制电子传递，不抑制磷酸化作用，因此抑制点之前的部位可照常产生ATP,电子传递抑制作用,常见的抑制剂和抑制点见下图：,要点,当用阿米妥和抗霉素A分别作用于NADH呼吸链和琥珀酸呼吸链时，各产生多少ATP？,问题,电子传递和氧化磷酸化如图:,五.线粒体外的氧化磷酸化,通常代谢物的彻底氧化是在线粒体内经呼吸链而生成水和ATP,但有些代谢物的氧化在线粒体外进行，这些代谢物氧化产生的NADH+H+不能自由进入线粒体，必须通过一种“穿梭机制”才能进入线粒体和呼吸链，生成ATP,生物体有以下几种穿梭机制：异柠檬酸穿梭作用、磷酸甘油穿梭作用、苹果酸穿梭作用,因此，线粒体内生成的NADH+H+进入呼吸链能产生3ATP,但在线粒体外的NADH+H+由于进入线粒体的穿梭机制不同，可产生2ATP或3ATP,要点,五.线粒体外的氧化磷酸化,（二）磷酸甘油穿梭作用,要点,线粒体外的NADH+H+经磷酸甘油穿梭后生成FADH2，进入FAD呼吸链产生2ATP,线粒体外产生的NADH+H+可通过生成磷酸甘油而进入线粒体，磷酸甘油脱下的氢进入呼吸链,细胞液,磷酸甘油脱氢酶（以NAD+为辅酶）,线粒体内膜,线粒体基质,磷酸甘油脱氢酶（以FAD为辅酶）,NADH+H+,FAD,磷酸二羟丙酮,磷酸甘油,磷酸甘油穿梭,（三）苹果酸穿梭作用,要点,线粒体外的NADH+H+经苹果酸穿梭后生成NADH+H+，进入NADH呼吸链产生3ATP,线粒体外产生的NADH+H+可通过生成苹果酸而进入线粒体，异柠檬酸苹果酸脱下的氢进入呼吸链,细胞液,苹果酸脱氢酶（以NAD+为辅酶）,线粒体内膜,线粒体基质,NADH+H+,草酰乙酸,苹果酸,门冬氨酸,苹果酸脱氢酶（以NAD+为辅酶）,NAD+,苹果酸穿梭,第五节三羧酸循环,三羧酸循环是有机物彻底分解的共同途径,反应在线粒体中进行,起始物为乙酰CoA，产物为CO2和氢,产生的氢随即进入呼吸链产能。此即分解代谢的第三阶段。,由各代谢物共同产生的乙酰CoA须经一个环式代谢后彻底分解为CO2和氢，循环共有十步反应，乙酰CoA经历多次脱羧和脱氢，最终被完全分解.,三羧酸循环为一个环式代谢途径,环式代谢产生4个三羧酸，故称为三羧酸(简写TCA)循环.又因为第一个产物为柠檬酸，也称柠檬酸循环.该循环由Krebs于1937年发现，故又称Krebs循环,一.三羧酸循环的反应历程,三羧酸循环的重要内容如下表：,三羧酸循环总反应方程式如下：,CH3COSCoA+2H2O+3NAD+FAD+ADP+Pi,2CO2+3(NADH+H+)+FA